Ответы на билеты за 10 класс для школ с физико математическим уклоном

Билет№7

 Принципы действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двига­тель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двига­телях эта разность давлений дости­гается за счет повышения темпера­туры рабочего тела на сотни или тысячи  градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры про­исходит при сгорании топлива

Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через t1.

В двигателях внутреннего сго­рания и газовых турбинах повыше­ние температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т1 называют температурой нагревателя.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя. Невоз­можность  полного   превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в приро­де. Если бы теплота могла само­произвольно возвращаться от холо­дильника к нагревателю, то внутрен­няя энергия могла бы быть пол­ностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя.

Согласно   закону   сохранения энергии работа, совершаемая дви­гателем, равна:

A'=|Ql|-|Q2|

где Q1 — количество теплоты, полу­ченное от нагревателя, a Q2 —количество теплоты, отданное холо­дильнику.

Коэффициентом полезного дейст­вия теплового двигателя называют отношение работы А', совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

КПД теплового двигателя меньше единицы. При Т1—Т2=0 двигатель не может работать.

 Максимальное значение КПД тепловых двигателей. Законы термо­динамики позволяют вычислить мак­симально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагрева­телем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2. Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно .

Карно придумал идеальную теп­ловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он полу­чил для КПД этой машины следую­щее значение:

Как и следовало ожидать, КПД машины Карно прямо

пропорцио­нален разности абсолютных темпе­ратур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, как доказал Карно, что любая реальная тепловая маши­на, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холо­дильником с температурой Т2 не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

 При температуре холодильника, рав­ной абсолютному нулю, η=1

Тепловые двигатели и охрана природы. Повсеместное применение тепловых двигателей с целью полу­чения удобной для использования энергии связано с воздействием на

окружающую среду. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительного количества теплоты, что должно привести к постепенному повышению средней температуры на Земле. Сейчас мощность двигателей в целом составляет около 1010 кВт. Когда эта мощность достигнет 3*1012 кВт, то средняя температура повысит­ся примерно на один градус. Дальнейшее повышение температуры может создать угрозу таяния лед­ников и катастрофического повы­шения уровня Мирового океана. Кроме того,  на Зем­ле может возникнуть “паровой эффект”.

Применение паровых турбин на электростанциях требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара.

Охрана: Необхо­димо повышать эффективность со­оружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ, до­биваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигате­лях. Уже сейчас не допускаются к эксплуатации автомобили с повы­шенным содержанием СО в отрабо­танных газах. Создают электромобили, способние конкурировать с обычными, и возможность применения горючего без вредных веществ в отработанных газах, например в двигателях, рабо­тающих на смеси водорода с кисло­родом.

Билет№8

Электризация тел и ее применение в технике. Значительная электриза­ция происходит при трении синтети­ческих тканей. Снимая нейлоновую рубашку в сухом воздухе, можно слышать характерное потрескива­ние. Между заряженными участками трущихся поверхностей проскаки­вают маленькие искорки. С подоб­ными явлениями приходится считать­ся на производстве. Так, нити пряжи на текстильных фабриках электри­зуются за счет трения, притягивают­ся к веретенам и роликам и рвутся. Электризация тел при тесном кон­такте используется в электрокопиро­вальных установках типа «Ксе­рокс» и др.<

Опыт с электризацией пластин до­казывает, что при электризации тре­нием происходит перераспределение имеющихся зарядов между телами, нейтральными в первый момент. Не­большая часть электронов переходит с одного тела на другое. При этом новые частицы не возникают, а су­ществовавшие ранее не исчезают. При электризации тел выполняет­ся закон сохранения электрического заряда. Этот закон для зам­кнутой системы. В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной. Если заряды частиц обозначить через q1 , q2 и т.д., то

q1 , +q2 +q3 +…+qn = const

Справедливость закона сохране­ния заряда подтверждают наблюде­ния над огромным числом превраще­ний элементарных частиц. Этот закон выражает одно из самых фундаментальных свойств электрического заряда. Причина сохранения заряда до сих пор неизвестна.

Закон Кулона. Опыты Кулона привели к установлению закона поразительно напоминающего закон всемирного тяготения. Сила взаимо­действия двух точечных неподвиж­ных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению мо­дулей заряда и обратно пропор­циональна  квадрату  расстояние между ними. Эту силу называют кулоновской.

Если обозначить модули зарядов через |q1| и |q2|, а расстояние между ними через r, то закон Ку­лона можно записать в следующей форме:

где k — коэффициент пропорцио­нальности, численно равный силе взаимодействия единичных зарядов на расстоянии, равном единице дли­ны. Его значение зависит от выбора системы единиц.

Билет№9

Электрическое поле.

Электрическое поле существует реально; его свойства можно исследовать опытным путем. Неизвестно из чего оно состоит.

Дом состоит из кирпичей, плит и других материалов, которые в свою очередь состоят из молекул, моле­кулы — из атомов, атомы — из эле­ментарных частиц. Более же простых образований, чем элементарные час­тицы, мы не знаем. Так же обстоит дело и с электрическим полем, ни­чего более простого, чем поле, мы не знаем. Поэтому о природе электрического поля мы можем сказать лишь следующее:

во-первых, поле материально; оно существует независимо от нас, от на­ших знаний о нем;

во-вторых, поле обладает определенными свойствами.

Основные свойства электрическо­го поля. Главное свойство электри­ческого поля — действие его на элек­трические заряды с некоторой силой.

Электрическое поле неподвиж­ных зарядов называют электроста­тическим. Оно не меняется со вре­менем. Электростатическое поле со­здается только электрическими за­рядами. Напряженность электрического поля. Электрическое поле обнару­живается по силам, действующим на заряд.

Если поочередно помещать в одну и ту же точку поля небольшие за­ряженные тела и измерять силы, то обнаружится, что сила, действующая на заряд со стороны поля, прямо

пропорциональная этому заряду. Дей­ствительно, пусть поле создается точечным зарядом q1. Согласно зако­ну Кулона  на заряд q2 дей­ствует сила, пропорциональная заря­ду q2. Поэтому отношение силы, дей­ствующей на помещаемый в данную точку поля заряд, к этому заряду для каждой точки поля не зависит от заряда и может рассматриваться как характеристика поля. Эту харак­теристику   называют   напряжен­ностью электрического поля. Подоб­но силе, напряженность поля—век­торная величина; ее обозначают бук­вой Е. Если помещенный в поле заряд обозначить через q вместо q2 то напряженность будет равна:

Напряженность поля равна отношению силы, с которой поле дей­ствует на точечный заряд, к этому заряду.

Отсюда сила, действующая на за­ряд q со стороны электрического поля, равна:

Напря­женность  поля в единицах СИ можно выразить, в ньютонах на кулон (Н/Кл).

Принцип суперпозиции полей.

Если на тело действует несколько сил, то согласно законам механики результирующая сила равна геомет­рической сумме сил:

На электрические заряды дей­ствуют силы со стороны электри­ческого поля. Если при наложении полей от нескольких зарядов эти по­ля не оказывают никакого влияния друг на друга, то результирующая сила со стороны всех полей должна быть равна геометрической сумме сил со стороны каждого поля. Опыт показывает, что именно так и про­исходит на самом деле. Это озна­чает, что напряженности полей скла­дываются геометрически.

В этом состоит принцип супер­позиции полей который форму­лируется так: если в данной точке пространства различные заряжен­ные частицы создают электрические поля, напряженности которых                  и т. д., то результирующая напряженность поля в этой точке равна: